遼河流域濕地水質(zhì)污染特征及凈化效果實(shí)證評(píng)估

范志平，王瓊*，孫學(xué)凱，韓青，陳寒，白潔

1.遼寧石油化工大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 3.遼寧大學(xué)環(huán)境學(xué)院

流域濕地作為流域生態(tài)系統(tǒng)中河岸陸地和河道水體間的過(guò)渡地帶，在流域能量交換和地表物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化方面十分活躍。不同類(lèi)型的流域濕地生態(tài)系統(tǒng)能夠利用其物理、化學(xué)和生物作用的綜合效應(yīng)，高效去除河流中的污染物[1-7]。因此，大型流域濕地工程的建設(shè)可以有效阻控污染、凈化水質(zhì)，在流域水環(huán)境保護(hù)中起到重要作用[8-10]。遼河上游的西遼河和東遼河于福德店交匯后，縱貫遼北康法丘陵區(qū)，流經(jīng)遼寧中部城市群(鐵嶺、沈陽(yáng)、鞍山、盤(pán)錦等市)，通過(guò)下遼河平原區(qū)至盤(pán)錦入?？冢纬删哂歇?dú)特空間特征的遼河干流段流域濕地[11]。近年來(lái)，針對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)伴隨經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)以及工業(yè)化、城市化快速發(fā)展帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境破壞問(wèn)題，國(guó)家和地方不斷加大遼河生態(tài)環(huán)境治理力度，流域生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能逐漸恢復(fù)，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量逐步提高，生態(tài)環(huán)境治理成果取得突破性進(jìn)展。

流域生態(tài)環(huán)境退化已成為影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，為了進(jìn)一步消除這一障礙因素，實(shí)現(xiàn)遼河流域可持續(xù)發(fā)展，2010年遼寧省劃定了遼河保護(hù)區(qū)(面積為1 869.2 km2)，設(shè)立了以保持流域完整性和生態(tài)系統(tǒng)健康為宗旨的流域綜合管理機(jī)構(gòu)[12-13]，陸續(xù)開(kāi)展了支流河口濕地群、坑塘濕地群、牛軛湖濕地群、橡膠壩回水段河流濕地群以及遼河河口濕地等大型流域濕地工程建設(shè)，優(yōu)化濕地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)濕地生態(tài)調(diào)節(jié)功能，阻控支流匯入污染物，削減干流污染負(fù)荷[14-15]，為遼河流域生態(tài)完整性恢復(fù)、干流水環(huán)境質(zhì)量提升與水生態(tài)系統(tǒng)健康維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。

由于流域水污染的結(jié)構(gòu)性、復(fù)雜性、區(qū)域性特點(diǎn)，遼河干流上游段、中游段和下游段濕地的生態(tài)調(diào)節(jié)與污染削減功能有所差異，呈現(xiàn)典型空間變化特征[16-19]。為了深入揭示遼河流域濕地水質(zhì)凈化功能與效果，選取遼河干流上、中、下游3個(gè)大型流域濕地工程，以東西遼河交匯口濕地、七星橡膠壩—支流河口濕地(簡(jiǎn)稱(chēng)七星濕地)、下游濕地為研究對(duì)象，進(jìn)行野外現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)與樣品采集，量化分析并實(shí)證評(píng)估匯入支流、濕地內(nèi)部、濕地出水口等不同斷面的污染物分布特征，計(jì)算水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)和濕地對(duì)污染物的去除效果，比較上、中、下游河段濕地水質(zhì)凈化功能的差異，以期為遼河流域濕地運(yùn)行維護(hù)與管理提供實(shí)證信息，同時(shí)為遼河保護(hù)區(qū)濕地工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域及樣點(diǎn)布設(shè)

研究區(qū)域選取遼河流域上游段東西遼河交匯口濕地、中游段七星濕地、下游段遼河下游濕地3個(gè)大型流域濕地工程區(qū)，按照濕地支流入口、濕地內(nèi)部、濕地出口等不同空間位置進(jìn)行水質(zhì)、水量野外現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)與樣品采集(表1)。

表1 研究區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與采樣點(diǎn)布設(shè)

1.2 樣品采集與處理

于2019年3—12月進(jìn)行了水質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和樣品采集。現(xiàn)場(chǎng)采用多參數(shù)水質(zhì)分析儀(美國(guó)哈希HQ40d)監(jiān)測(cè)pH、溶解氧(DO)濃度等指標(biāo)，同時(shí)用1 000 mL采樣瓶(預(yù)先用10%硝酸浸泡并用超純水清洗)對(duì)表層水水樣進(jìn)行采集，樣品用低溫保溫箱保存運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，24 h內(nèi)測(cè)定5日生化需氧量(BOD5)、化學(xué)需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)濃度，分析方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[20]。

1.3 內(nèi)梅羅污染指數(shù)計(jì)算

內(nèi)梅羅污染指數(shù)是一種包含單因子指數(shù)的算術(shù)平均值(F)和最大值(Fmax)，并強(qiáng)調(diào)最大值污染因子對(duì)環(huán)境質(zhì)量的影響程度[21]。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

Fmax=max{ciSij}

(3)

式中：Pn為內(nèi)梅羅污染指數(shù)；ci為第i種污染因子的實(shí)測(cè)濃度；Sij為第i種污染因子在第j種標(biāo)準(zhǔn)下的標(biāo)準(zhǔn)值。污染物指標(biāo)選取BOD5、NH3-N、CODCr，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類(lèi)水質(zhì)限值。根據(jù)內(nèi)梅羅污染指數(shù)將水質(zhì)劃分為6個(gè)等級(jí)(表2)。

表2 內(nèi)梅羅污染指數(shù)與水質(zhì)分類(lèi)

1.4 污染物去除率計(jì)算

根據(jù)各支流與出口處流量及水體中污染物濃度，計(jì)算污染物在濕地內(nèi)的削減率，即濕地的凈化效果。公式如下：

(4)

式中：Mp為污染物去除率，%；Ck為第k條匯入河流污染物濃度，mgL；Qk為第k條匯入支流進(jìn)水流量，m3；Cout為出水污染物濃度，mgL；Qout為出水流量，m3。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

使用Excel 2003和Origin 8.5軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及繪圖，利用SPSS 24.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析(ANOVA)，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的顯著性水平為P=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同河段濕地水質(zhì)動(dòng)態(tài)變化特征

2.1.1pH

遼河流域不同河段濕地表層水pH現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，東西遼河交匯口濕地的匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口表層水pH分別為7.9、8.4和8.3，七星濕地的各匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口表層水pH分別為8.6、8.4和8.6，下游濕地的匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口表層水pH分別為8.1、8.1和8.0。

圖1 遼河流域不同河段濕地表層水pH動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamics of pH in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.2DO濃度

濕地表層水DO濃度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，上游段的東西遼河交匯口濕地匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口處表層水DO濃度均值分別為8.5、10.3和9.5 mgL，七星濕地匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口處表層水DO濃度均值分別為10.7、8.9和11.3 mgL，下游濕地匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口的DO濃度均值分別為7.4、8.1和6.9 mgL。

圖2 遼河流域不同河段濕地表層水DO濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of DO in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.3BOD5

遼河流域不同河段濕地水體BOD5的季節(jié)動(dòng)態(tài)變化如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，上游段的東西遼河交匯口BOD5季節(jié)性差異較大，6—8月BOD5較高，整個(gè)研究期濕地匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口表層水BOD5均值分別為5.9、5.6和5.5 mgL；中游河段七星濕地5月、8月和11月匯入支流的BOD5較高，濕地內(nèi)部和濕地出口BOD5顯著低于匯入支流，整個(gè)研究期匯入支流、濕地內(nèi)部、濕地出口的BOD5分別為7.1、5.7和4.8 mgL；下游濕地3—6月匯入支流BOD5較高，其余月份BOD5變化較平穩(wěn)，匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口的BOD5分別為6.5、5.1和5.3 mgL。中游河段七星濕地的匯入支流BOD5相對(duì)較高，濕地凈化削減作用明顯。

圖3 遼河流域不同河段濕地表層水BOD5動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamics of BOD5 in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.1.4CODCr

遼河流域不同河段濕地表層水中CODCr季節(jié)動(dòng)態(tài)變化如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，東西遼河交匯口濕地匯入河流的CODCr季節(jié)動(dòng)態(tài)變化差異較大，6—和8月CODCr較大，其余月份較小，濕地內(nèi)部CODCr在4月、9月和10月較小，濕地出口4—7月CODCr較小，匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口CODCr均值分別為19.7、24.7和27.0 mgL；中游段的七星濕地表現(xiàn)為6—9月匯入支流的CODCr較高，而濕地內(nèi)部和濕地出口的CODCr較低，匯入支流、濕地內(nèi)部、濕地出口CODCr分別為23.5、20.1和21.3 mgL；下游濕地CODCr季節(jié)動(dòng)態(tài)變化不明顯，匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口的CODCr分別為23.5、21.6和22.1 mgL。

2.1.5NH3-N濃度

遼河流域不同河段濕地表層水中NH3-N濃度動(dòng)態(tài)變化如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，東西遼河交匯口濕地NH3-N季節(jié)性差異較大，3月、4月、5月和7月NH3-N濃度較高，匯入支流、濕地內(nèi)部以及濕地出口處水體中NH3-N濃度平均值分別為0.4、0.5和0.8 mgL；七星濕地除4月外NH3-N濃度均較低，匯入支流、濕地內(nèi)部、濕地出口的NH3-N濃度平均值分別為1.5、0.7和0.4 mgL；下游濕地NH3-N濃度表現(xiàn)為3—7月較高，并且螃蟹溝NH3-N濃度顯著高于其他匯入河流(12月除外)，匯入支流、濕地內(nèi)部和濕地出口的NH3-N濃度平均值分別為1.74、0.9和1.0 mgL。中游河段和下游河段濕地內(nèi)部和濕地出口NH3-N濃度顯著低于匯入支流，可見(jiàn)，濕地對(duì)NH3-N的削減功能較好。

圖4 遼河流域不同河段濕地表層水CODCr動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamics of CODCr in surface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

圖5 遼河流域不同河段濕地表層水NH3-N濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.5 Dynamics of ammonia-nitrogen concentrations insurface water of wetlands in different sections of Liaohe River Basin

2.2 不同河段濕地污染物去除率與水質(zhì)凈化效果

圖6 各支流入河流量及不同濕地出水?dāng)嗝媪髁縁ig.6 Flow of tributaries and different wetland outlet sections

圖7 濕地污染物去除效果Fig.7 Removal efficiency of pollutants in wetlands

根據(jù)遼河流域上、中、下游河段各入河支流及監(jiān)測(cè)斷面流量數(shù)據(jù)(圖6)，計(jì)算東西遼河交匯口濕地、七星濕地、下游濕地的污染物去除率，結(jié)果如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，對(duì)BOD5、NH3-N和CODCr去除率東西遼河交匯口濕地分別為38.69%、52.36%和24.67%，七星濕地分別為72.73%、89.80%和87.25%，下游濕地分別為77.74%、89.01%和88.41%。遼河流域濕地對(duì)污染物有明顯的凈化效果，但污染物去除率有所差異，濕地有效削減了支流水體中的污染物，能顯著改善干流水質(zhì)。另外，支流河口來(lái)水對(duì)干流水質(zhì)影響較大，因此加強(qiáng)河口濕地規(guī)劃及工程建設(shè)，是保證干流水質(zhì)穩(wěn)定的有效方法。

2.3 不同河段濕地內(nèi)梅羅污染指數(shù)

采用內(nèi)梅羅污染指數(shù)法對(duì)東西遼河交匯口濕地、七星濕地、下游濕地的水質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，表征濕地運(yùn)行過(guò)程中水質(zhì)變化特征(表3)。由表3可見(jiàn)，內(nèi)梅羅指數(shù)季節(jié)性變化明顯，6—9月水體的污染指數(shù)相對(duì)較低，這主要與濕地植被生物量大、微生物活動(dòng)較強(qiáng)、濕地生態(tài)水量增多有關(guān)[22-26]，表現(xiàn)為流域濕地水體自?xún)裟芰υ鰪?qiáng)，水質(zhì)狀況明顯改善，減少了支流污染物向遼河干流的排放，不同河段濕地水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)均值分別為0.77、0.81和0.76；八家子河、中游段的左小河和下游段的螃蟹溝來(lái)水內(nèi)梅羅污染指數(shù)分別為1.08、0.99和1.16，達(dá)到了較清潔和輕度污染；濕地內(nèi)部水質(zhì)污染指數(shù)較小，說(shuō)明濕地內(nèi)流動(dòng)水體污染物的削減作用明顯；在濕地出口處內(nèi)梅羅污染指數(shù)呈降低趨勢(shì)，表明濕地對(duì)于上游來(lái)水中的污染物具有明顯的阻控效果，濕地植被與底質(zhì)微生物在水體污染物的遷移轉(zhuǎn)化中起到關(guān)鍵作用。

表3 遼河流域不同河段濕地水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)

3 結(jié)論

(1)遼河流域不同河段污染物隨空間變化特征體現(xiàn)為匯入河流污染物濃度較高，經(jīng)過(guò)濕地凈化作用，在濕地中部及出口處濃度明顯降低。生長(zhǎng)季濕地內(nèi)污染物濃度較低，濕地植被、沉積物中微生物以及水量對(duì)濕地污染物的削減發(fā)揮了重要作用。

(2)流域濕地對(duì)污染物有明顯的去除作用，能夠有效阻控支流污染物向干流遷移，減輕干流污染負(fù)荷。不同河段濕地對(duì)污染物的去除效果有所差異，因此在遼河保護(hù)區(qū)濕地工程建設(shè)中應(yīng)充分考慮全流域水污染的結(jié)構(gòu)性、復(fù)合性和區(qū)域性特征。

(3)不同河段濕地水質(zhì)內(nèi)梅羅污染指數(shù)均值分別為0.77、0.91和0.76，屬于較清潔水質(zhì)。部分匯入河流的內(nèi)梅羅污染指數(shù)較高，3個(gè)濕地中污染較重的支流分別為八家子河、左小河和螃蟹溝。